JP5593331B2

JP5593331B2 - 電池、該電池を含む電池アセンブリ及び該電池を冷却するための方法

Info

Publication number: JP5593331B2
Application number: JP2011546712A
Authority: JP
Inventors: ティム・シェーファー; アンドレアス・グッチュ; クラウス−ルーペルト・ホーエンタナー; イェルク・カイザー; ホルガー・ミクス
Original assignee: リ−テック・バッテリー・ゲーエムベーハー
Priority date: 2009-01-28
Filing date: 2010-01-28
Publication date: 2014-09-24
Anticipated expiration: 2030-01-28
Also published as: DE102009006426A1; EP2392044A1; US20120183830A1; WO2010086167A1; JP2012516527A; US8790809B2; KR20120007493A; BRPI1007546A2; CN102301511A

Description

本発明は、例えば電気で駆動される自動車で使用される、電池に関するものである。

ドイツ特許第60213474号には、相互に間隔をおいて配置された複数の電気化学的セルを備える電気化学的貯蔵ユニットが開示されている。電気化学的セルの2つの側面間に冷却ベローが配置され、冷却ベローは電気化学的セルの側面に接触する。この冷却ベロー内を熱伝導媒体が流れる。

ドイツ特許第60213474号

本発明の課題は、前述の種類の電池を改善することである。

本発明の課題は、電池収納ケース内に配置された少なくとも1つの電池セルを含む電池によって解決され、電池収納ケースは部分的に冷却液で充填されている。

基本的に電池ないしは電池セルとは、再充電が不可能な一次電池ないしは一次電池セルと同様に、再充電が可能な二次電池ないしは二次電池セルであると理解される。この場合電池セルとは、特に少なくとも2つの電極と、2つの電極の間に配置された電解質とを有する電気セルを包括する。この電気セル内には電気エネルギが貯蔵され、電気セルは化学エネルギと電気エネルギの変換に使われる。この電池セルが二次電池セルである場合は、電気エネルギを化学エネルギに変換することも可能である。

部分的に充填されているとは、電池収納ケースが少なくともある程度の量の冷却液で充填されていることであると理解される。しかしながら電池収納ケースは冷却液で完全に充填されてはいない。これは、ある程度の気体量が収納ケース内に残ることに繋がり、この気体は冷却液と共に電池収納ケース内を自由に移動可能である。この場合この気体量は任意の気体状の媒体で形成されていることが可能であり、詳細には空気、冷却液蒸気、他の気体またはこれらの組合せであり得る。

この冷却液は特に電池セルの間を自由に流動することが可能であり、直接すなわち直に電池セルと接触することになる。電池収納ケースが部分的に、すなわち不完全に冷却液で充填されていることにより、冷却液はより自由に、ないしは制限をより少なく受けて移動することが可能であり、このことは冷却液の移動性の増大、それゆえ冷却液の撹拌の向上に寄与できる。これにより電池セルから電池収納ケースへ、または他の冷却機構、例えば独立した冷却装置、または収納ケース内に配置された熱交換装置への熱の伝搬が促される。電池収納ケースは気密および液密であることが好ましい。

電池の本明細書では、基本的に電池が静止位置にあり、またすべての冷却液が液状であるという電池の状態から出発している。この場合、電池は、その電池の底面が下方を向いているという位置にある。冷却液は静止していて不動である。特に冷却液の水準は、電池が移動を開始すると、ここで説明されているものには対応しないことは自明である。

この電池セルは冷却液によって少なくとも2%取り囲まれていることが好ましい。この場合このパーセント値は、電池セルの全表面に対して、電池セルの冷却液で取り囲まれている表面の率を表示している。このパーセント値は、この出願書内の以後のすべての実施例に対しても有効であり、この場合電池セルの表面は、詳細には電池セルの外被表面、ならびに場合によっては、外被から延びる電流コレクタ部分および場合によっては熱伝導プレート部分の表面によって形成される。

電池セルが冷却液によって最大で80%取り囲まれていることが好ましい。これによって電池収納ケース内に、十分な大きさの、冷却液によって占められていない空間が生じる。これによって電池収納ケース内に収納された冷却液は十分な移動の自由を得る。

電池セルは少なくとも1つの、電池セルの外被によって密封されたセル空間を備えることが好ましく、そのセル空間内に1つの電気セルが配置されている。電池セルの外被は、セル空間を密閉し、冷却液が電気セルに触れないように計らう。さらに、電池セルの外被は、電気セルから電池収納ケース内および冷却液内に材料が到達できないように計らう。さらに、電池セルの外被は、セル空間と電池収納ケースの内部との間に電気絶縁体を形成することができる。

電池セルは少なくとも2つの、電池セルの外被から延びる電流コレクタを備えることが好ましい。ここでは、ちょうど2つの、電池セルの外被から延びる電流コレクタを備えることが好ましい。この電流コレクタは電池セルの接続部を形成し、外被内に配置されている電気セルの電極と電気伝導的に接続されていることが好ましい。この際に電流コレクタ自体が熱伝導能力を備えることが可能であり、その結果電流コレクタ自体がセル空間から外方へ電池セルの外被を貫く熱伝搬部を形成する。

電池セルは熱伝導プレートを備えることが好ましく、この熱伝導プレートは、電池セルの外被の外側に配置されている熱伝導プレート部分を有する。この熱伝導プレート部分は、電池セルの外被の外側に設けられている熱伝搬領域を提供し、これによって電池セルからの熱を周囲に、詳細には電池収納ケース内の冷却液に放出することができる。この場合に、熱伝導プレートは電池セルの外被を貫通して延び、こうして外被内側から外被外側への直接的熱伝導路を形成する。熱伝導プレート部分が少なくとも部分的に、特に完全に冷却液で取り囲まれていることが好ましく、これは熱排出の改善に繋がり得る。

少なくとも1つの電流コレクタが1つの電流コレクタ部分を備えることが好ましく、この電流コレクタ部分は電池セルの外被から延び、冷却液によって少なくとも部分的に、特に完全に取り囲まれている。この電流コレクタ部分は、電流コレクタのうち電池セルの外被の外側に突出する領域である。その際、電流コレクタ部分は1つの熱伝搬領域であり、電池セルの外被から電流コレクタを介して搬出される熱は、この領域上で冷却液と接触可能である。それゆえ、電流コレクタ自体が熱伝達要素であり、これを用いて電池セルの外被の内側から電池セルの外被の外側へと熱を伝達することが可能である。電流コレクタ部分が少なくとも部分的に冷却液で取り囲まれていることから、電流コレクタ部分から冷却液への熱伝導が有利になり得る。特に電流コレクタ部分が完全に冷却液で取り囲まれている場合は、熱の排出を高めることができる。ここでは冷却液は電気伝導性のない液体で構成されていてもよい。

電池セルは最大で50%、特に最大で20%、特に最大で10%まで冷却液で取り囲まれていることが好ましい。さらに、電池セルはまた最大で30%または最大で40%まで冷却液で取り囲まれ得る。

ここではこのパーセント値は具体的には、冷却液で取り囲まれている、電池セルの外被の表面の率のみを意味する。場合によっては存在する、電流コレクタ部分または熱伝導プレート部分の表面は考慮されていない。

電池セルの外被が冷却液によって比較的僅かに取り囲まれている場合は、電池セルと冷却液との間の熱伝導は、熱伝導プレートと熱伝導プレート部分でおよび/または電流コレクタと電流コレクタ部分で実施される。電池セルの外被が冷却液で取り囲まれていないことも可能である。この場合は外被の下縁は冷却液境界線より上方に配置されている。この冷却液境界線は静止位置での冷却液の高さを表している。

好ましい実施形態では2つの電流コレクタが、好ましくは電池セルの外被から同じ方向に延びる。これにより両電流コレクタの電流コレクタ部分の取り囲み率はほぼ同じであり得る。電流コレクタが電池セルの外被から下方に向かって延びている場合、これは特に意義がある。こうすることで両電流コレクタの電流コレクタ部分が冷却液中に突出し、それゆえ冷却液で取り囲まれ、他方で、例えば電池セルの外被は冷却液では取り囲まれていないか、または僅かな部分のみが冷却液で取り囲まれている。この場合は電流コレクタ部分の下縁は冷却液境界線より下方に配置されている。この条件は静止位置で示されるものであることは自明である。

さらに本発明の課題は、少なくとも1つの前述の種類の電池を含む電池アセンブリで解決され、この場合電池収納ケースは1つの冷却装置に接続されている。好ましい実施形態では電池収納ケースは1つの冷却装置に接続され得る。この冷却装置は、接続導管で電池収納ケースと接続されている外部構成部品であり得る。この冷却装置へ冷却液を搬送することが可能で、その結果、冷却液が冷却装置内で冷却される。代替としては、冷却液の上方にある気体量の一部が冷却装置に搬送され、気体はこうして冷却され得る。電池収納ケースと冷却装置との間の接続導管内に、1つまたは複数のファンを配置がすることが可能である。この場合、電池収納ケースの出口開口部が冷却装置の入口開口部に接続されていることが好ましく、その際、電池収納ケースの出口開口部は冷却液境界線より上方に配置されている。電池収納ケースの出口開口部が冷却液境界線より上方に配置されていることによって、とりわけ、特に気体量の一部、詳細には冷却液蒸気だけが電池収納ケースから冷却装置内に搬送され、液体状の冷却液はほんの僅かか、全く搬送されない。この場合、気体量部分は冷却装置で冷却される。気体量部分は別の接続導管を介して再び電池収納ケース内へと搬送が可能であり、このことは電池収納ケース内に配置されている構成部品と冷却液の付加的な冷却へと繋がり得る。この場合、電池収納ケースの出口開口部は、電池収納ケースの蓋面内に配置されていることが好ましい。出口開口部を蓋面内に配置することは、出口開口部を通って冷却装置の方向へと行きつきかねない冷却液部分を減少させる。電池収納ケースと冷却装置の間の接続導管内には、1つ、2つまたは複数のファンを設けることが可能である。特に、各接続導管内に1つのファンを設けてもよい。

冷却液が電池収納ケース内で気化可能であることが好ましい。気化過程中に温度水準は低下する。冷却装置が凝縮器を備えていることが好ましい。凝縮器内では、蒸気化した冷却液、すなわち冷却液蒸気を再び液体相に戻すことができる。液体化した冷却液蒸気は、別の接続導管を介して再び電池収納ケース内に案内されるか導かれることが可能である。冷却液が電池収納ケース内で気化可能であることが好ましい。気化過程中に温度水準は低下する。

さらに、本発明の課題は、前述の電池を冷却するための方法、この場合少なくとも冷却液4の一部が気化される方法で解決される。冷却液の気化された部分は、冷却装置を使って冷却されることが好ましい。さらに、冷却液の気化された部分は凝縮されてもよい。凝縮された蒸気は電池セルの冷却のために新たに使用可能である。

本発明を以下の図面を参照して詳細に説明する。

本発明の電池を用いた、本発明の電池アセンブリの第1実施形態の断面図である。a)は側面図である。b)は前面図である。本発明の電池を用いた、本発明の電池アセンブリの第2実施形態の断面図である。a)は側面図である。b)は前面図である。本発明の電池を用いた、本発明の電池アセンブリの第3実施形態の断面図である。a)は側面図である。b)は前面図である。本発明の電池を用いた、本発明の電池アセンブリの第4実施形態の断面図である。a)は側面図である。b)は前面図である。

図1は静止位置にある本発明の電池1を示し、この場合、電池は静止位置にあり不動である。電池1は電池収納ケース3を備え、電池収納ケースは冷却液4で充填されている。電池収納ケース3の底面6は静止位置では下方に配置されている。冷却液4も静止位置では同じく不動である。冷却液4が電池収納ケース3から漏出しないように、電池収納ケース3は外側方向に対して気密および液密に密閉されている。電池収納ケース3内には5個の電池セル2が相互に距離を保って配置されている。電池セル2は外被5を備え、これは外被5内に配置されているセル空間を外側方向に対して気密および液密に密閉する。セル空間内には少なくとも1つの、ここでは詳細に説明しない、電気セルが配置されている。この電気セルは、例えば複数の電極および2つの電極の間に少なくとも1つの電解質を持つ。この電気セルは本発明の場合は再充電可能な二次電池として形成されている。

各電池セル2は2つの電流コレクタ8を備え、その電流コレクタはセル空間から電池セル2の外被5を貫通して外側に伸延している。この際に電流コレクタ8は電池セル2の外被5を貫通して電気的接合を形成する。それによって、1つまたは複数の電極は、ここでは示されていない電池セル2の外被5の外側の接続部と電気的に結合可能となる。外被5内に配置されている電流コレクタ8の領域は、破線で示されている。個々の電池セル2は相互に、詳細には並列または直列に連結され得る。電流コレクタ8は電池セル2の下面に配置されている。この際に、電流コレクタ8は下方領域において外被5から、ないしは外被5を貫通して伸延する。

その液体水準が破線の充填水準線7で示されている冷却液4は、電池収納ケース3を部分的にしか充填していないことが認められる。この充填水準線7は、電池1の、静止状態での冷却液表面の位置を表している。充填水準線7の上方には、その中に冷却液が配置されておらず、気体量19が存在可能な領域が形成されている。

電流コレクタ8はそれぞれ1つの電流コレクタ部分10を備え、その電流コレクタ部分は電池セル2の外被5から伸延している。この電流コレクタ部分10は完全に冷却液4中に浸没しており、その結果、冷却液4は電流コレクタ部分10を完全に取り囲む。

さらに、電池セル2は、電池セル2の外被5も部分的に冷却液で取り囲まれるように冷却液4中に浸されている。言い換えれば冷却液の水準は、電池セル2の外被5も部分的に冷却液で取り囲まれるような高さにある。この場合電池セル2の外被5は70%が冷却液で取り囲まれている。このパーセント値は、電池セル2の外被5の全表面の大きさに対して、電池セル2の、冷却液で取り囲まれている外被5の表面の率である。

電池収納ケース3が冷却液で部分的にしか充填されていないことから、例えば自動車が走行することで生じる電池1の移動の際には、冷却液4は自由にあちこちへと揺れ、これにより冷却液4の混合がよくなる。これによって電池セル2から電池収納ケース3へ、または他の冷却機構、例えば冷却剤導管22への熱の伝搬が促される。

電池1から独立して、接続導管17を介して電池収納ケース3と接続された冷却装置12が設けられている。この際に、電池収納ケース3の出口開口部16は冷却装置12の入口開口部13と接続されている。さらに冷却装置12の出口開口部14は電池収納ケース3の入口開口部15と接続されている。電池1は冷却装置12および接続導管17と共に1つの電池アセンブリ20を構成する。他の実施形態では複数の電池が、1つまたは複数の冷却装置に接続され得る。

この場合、電池収納ケース3の出口開口部16は充填水準線7の上方に配置され、その結果、気体量19のある程度の部分が電池収納ケース3の出口開口部14を通って冷却装置12の方向へ搬送され得る。その際に、冷却装置12内には詳細に説明されない凝縮器が設けられている。接続導管を介した蒸気の搬送を改善するために、電池収納ケース3の出口開口部16と冷却装置12の入口開口部13との間の接続導管17内にファン21が配置されている。これに加えて付加的にまたは代替として、冷却装置12の出口開口部14と電池収納ケース3の入口開口部15との間の接続導管17内に、ファン21が配置されていてもよい。液体状の媒体が搬送される場合は、ファンはポンプの機能も受け持つことができる。

電池収納ケース3内の冷却液4が暖かくなるか熱くなると、冷却液4の一部が蒸発し気体量19の一部を形成する。次いで、気化した液体部分は、電池収納ケース3の出口開口部16を通り接続導管17内を冷却装置12の入口開口部13へと搬送され、そこで冷却装置12内の凝縮器へと到達する。気化した冷却液4は凝縮器内で凝縮され、続いて凝縮かつ冷却された冷却液として冷却装置12の出口開口部14、別の接続導管17および電池収納ケース3の入口開口部15を介して電池収納ケース3内に戻される。冷却液の一部分が蒸発することで付加的な冷却効果が生じ、これによりアセンブリの冷却過程が全体として改善される。

電池収納ケース3の底面6の近くに冷却剤導管22の形で熱交換装置が配置され、これは冷却液の冷却に付加的に寄与する。

図2は、構成と機能において図1の電池1に基本的に対応する、代替の実施形態の電池1'を示す。以下では図1の電池に対する違いのみを説明する。

電池1'は図1の電池1よりも少ない冷却液4を備えている。ここでは電流コレクタ8の電流コレクタ部分10のみが冷却液4で取り囲まれている。充填水準線7'が外被5よりも低いところに配置されているため、外被5は冷却液4では取り囲まれていない。外被5から伸延する電流コレクタ部分10の表面は、電池セル2の全表面に対して約5%でしかないことから、電池セル2'はその約5%が冷却液で取り囲まれていることになる。

図3は、構成と機能において図1の電池1に基本的に対応する、代替の実施形態の電池1"を示す。以下では図1の電池に対する違いのみを説明する。

電池1"は複数の電池セル2"を備え、ここでは各々の電池セル2"が熱伝導プレート9を備えている。熱伝導プレートは部分的に外被5内に配置されている。熱伝導プレート部分11が外被5から伸延している。この熱伝導プレート部分11は外被5の下側に配置されていて、完全に冷却液4で取り囲まれる。熱伝導プレート部分11はその下端が90°曲がっている。電流コレクタ8"は電流コレクタ部分10"を備え、この部分は外被5から伸延している。この電流コレクタ部分10"は外被5の上側で外被5から伸延している。この場合、電流コレクタ部分10"は冷却液4に取り囲まれていない。充填水準線7は、図2の電池内よりは高いところにあり、ないしは図1の電池よりは低いところにある。電池セル2はほぼ50%が冷却液4で取り囲まれていて、
この場合電池セルの表面の算出には、外被5の表面と、電流コレクタ部分10"の表面と、熱伝導プレート部分11の表面とが考慮に入れられる。

図4は、構成と機能において図1の電池1に基本的に対応する、代替の実施形態の電池1'"を示す。以下では図1の電池に対する違いのみを説明する。

電池1'"では電流コレクタ部分10と同様に熱伝導プレート部分11も下方で各々の電池セル2の外被5を貫通して伸延する。冷却液4の水準は、図3の電池1"の冷却液の水準にほぼ相応し、その結果、電池セル2の外被5は部分的に冷却液で取り囲まれている。電流コレクタ部分10と同様に熱伝導プレート部分11も完全に冷却液4で取り囲まれている。

1 電池
2 電池セル
3 電池収納ケース
4 冷却液
5 外被
6 底面
7 充填水準線
8 電流コレクタ
9 熱伝導プレート
10 電流コレクタ部分
11 熱伝導プレート部分
12 冷却装置
13 冷却装置入口開口部
14 冷却装置出口開口部
15 電池収納ケース入口開口部
16 電池収納ケース出口開口部
17 接続導管
18 蓋面
19 気体量
20 電池アセンブリ
21 ファン
22 冷却剤導管

Claims

電池収納ケース(3)内に配置されている、少なくとも1つの電池セル(2)を含む電池(1)であって、
前記電池セル(2)は、前記電池セル(2)の外被(5)から下方に延びている少なくとも2つの電流コレクタ(8)及び1つの熱伝導プレート(9)を備え、
前記電池収納ケース(3)が部分的に冷却液(4)で充填され、および電池セル(2)が最大で50%まで冷却液(4)で取り囲まれており、
前記電流コレクタ(8)が、前記外被(5)から延出している電流コレクタ部分(10)を備え、
前記熱伝導プレート(9)が、前記外被(5)から延出している熱伝導プレート部分(11)を備え、
前記電流コレクタ部分(10)及び前記熱伝導プレート部分(11)が、完全に冷却液(4)で取り囲まれている、
電池(1)。
前記電池セル(2)が前記冷却液(4)によって少なくとも2%まで取り囲まれている請求項1に記載の電池(1)。
前記電池セル(2)が、前記外被(5)によって密封された少なくとも1つのセル空間(6)を備え、1つの電気セルが前記セル空間内に配置されている請求項1または2に記載の電池(1)。
前記電池セル(5)が最大で20%まで冷却液(4)で取り囲まれている請求項1から3のいずれか一項に記載の電池(1)。
前記電池セル(5)が最大で10%まで冷却液(4)で取り囲まれている請求項4に記載の電池(1)。
請求項1から5のいずれか一項に記載の電池を含む電池アセンブリ(20)であって、前記電池収納ケース上に1つの冷却装置(12)が接続されている電池アセンブリ(20)。
前記電池収納ケースの出口開口部(16)が前記冷却装置の入口開口部(13)に接続されていて、前記電池収納ケースの前記出口開口部(16)が冷却液境界線より高い位置に配置されている請求項6に記載の電池アセンブリ(20)。
前記電池収納ケースの出口開口部(16)が前記冷却装置の入口開口部(13)に接続されていて、前記電池収納ケースの前記出口開口部(16)が前記電池収納ケース(3)の蓋面(18)内に配置されている請求項6または7のいずれか一項に記載の電池アセンブリ(20)。
前記冷却装置(12)が凝縮器を含む請求項6から8のいずれか一項に記載の電池アセンブリ(20)。
前記冷却装置の出口開口部(14)が前記電池収納ケースの入口開口部(15)と接続されている請求項6から9のいずれか一項に記載の電池アセンブリ(20)。
請求項1から5のいずれか一項に記載の電池を冷却するための方法であって、前記冷却液(4)の少なくとも一部が気化される方法。
前記冷却液(4)の気化された部分が、冷却装置(12)を使って冷却される請求項11に記載の方法。
前記冷却液(4)の気化された部分が凝縮される請求項11または12に記載の方法。